病毒如何与人类共进化——内源性逆转录病毒的秘密

原创崔杰科学杂志1915

作者崔杰

在漫长的生物进化过程中，远古的外源性逆转录病毒感染宿主生殖细胞，继而将其遗传物质整合进宿主基因组，成为内源性逆转录病毒。这些内源性逆转录病毒世代繁衍、并与宿主共同进化。宿主基因组中的内源性逆转录病毒序列，曾被认为是垃圾序列，但越来越多的研究表明，它们既参与人体内重要的生物学功能，还与某些疾病如肿瘤的发生息息相关。

病毒是一种没有细胞结构的特殊生物，它们由蛋白质外壳和内部的遗传物质组成。病毒不能独立生存，必须生活在其他生物的细胞内，一旦离开活细胞就不表现任何生命活动的迹象。根据其核酸类型，病毒可以分为RNA病毒和DNA病毒。

逆转录是以RNA为模板合成DNA的过程。逆转录病毒是一类多元化且分布广泛的RNA病毒，感染宿主细胞后能够将自身基因组反转录成DNA，随后整合到宿主基因组中。简单的逆转录病毒基因组含有结构蛋白和功能蛋白基因，如Gag、Pro、Pol和Env，而复杂的逆转录病毒基因组可产生额外的蛋白质和RNA，具有增强毒力的功能。

逆转录病毒分为外源和内源两种形式，目前已发现的逆转录病毒种类繁多，但只有少数逆转录病毒可同时以内源性和外源性两种形式存在于自然界，如禽白血病病毒、鼠乳腺瘤病毒等。

外源逆转录病毒（exogenous retrovirus）通过逆转录产生cDNA，然后将cDNA插入宿主的基因组中。大多数插入宿主基因组的病毒DNA会控制宿主的细胞器，用以产生病毒颗粒，但有些却会保留在宿主基因组中，偶尔产生病毒粒子，或保持沉默状态。病毒插入过程通常发生在体细胞中，在进化的过程中，外源性病毒也会意外地插入生殖系细胞中。逆转录病毒一旦将其cDNA转入宿主的生殖细胞，将会被固定在宿主的基因组中，宿主后代的基因组中都将含有前病毒（provirus）。随后，内源性逆转录病毒（endogenous retrovirus，ERV）将与宿主发生共进化，并能在后代种群中固定下来，以孟德尔遗传方式遗传下去[1]。

在与宿主共进化的过程中，内源性逆转录病毒会不断发生基因突变。这些突变会导致3种不同的结果：在进化过程中，正向选择会使那些对宿主有益的内源性逆转录病毒保留下来；而负向选择会减少内源性逆转录病毒的数量，直至灭绝；中性漂变可能会导致内源性逆转录病毒在宿主中消失，但也可能在宿主中存在，而这取决于宿主的进化。

内源性逆转录病毒

内源性逆转录病毒序列几乎存在于所有动物的基因组中，包括鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类，被认为是古老病毒感染宿主祖先的生殖细胞、并侵入宿主基因组后产生的遗留元件，之后与宿主一起经历大时间尺度的共同进化[2]。假设某种外源性逆转录病毒整合到共同宿主祖先A（为A1和A2的祖先）的基因组中，在物种分歧后，A1和A2可能有相同的内源性逆转录病毒序列，并独立进化成A1’和A2’。

人基因组中充斥着大量的人内源性逆转录病毒（human endogenous retrovirus，HERV）序列，约占人基因组的8% [3]。这些病毒序列有些十分古老，年龄甚至可追溯至上千万年前；某些HERV序列一直活跃至今，发挥着重要的生物学功能[1]。对HERV的研究主要集中在HERV-W、HERV-K和HERV-H家族：HERV-W是人基因组中的重要成员，其Env基因编码的包膜蛋白在胎盘形态发生中发挥着关键作用；HERV-K是目前HERV中最年轻且唯一具有完整前病毒序列的成员，在人基因组中处于活跃状态，其表达与肿瘤的发生相关；HERV-H在人基因组中的数量最多，其编码的包膜蛋白具有免疫抑制活性[4]。

研究内源性逆转录病毒与宿主在大时间尺度上的进化关系及其生物学意义也是十分重要的领域。

内源性逆转录病毒的种类与分布

关于内源性逆转录病毒在宿主基因组中的增殖机制，有两种被普遍接受的模型：生殖细胞系重感染进化模型和逆转录转座模型[5]。这两种机制可以解释为什么许多内源性逆转录病毒均具有高拷贝数。

生殖细胞系重感染进化模型显示，在病毒的复制阶段，外源病毒可以直接将其自身序列重新整合到宿主生殖细胞基因组中，然后在宿主的后代种群中固定下来。逆转录转座模型则假定了一个病毒的主基因模式，其中几个活跃的病毒元件保持一定的功能，宿主基因组有能力获得独立的、但不一定完整的拷贝。转座子是基因组中一段可移动的DNA序列，可通过切割、重新整合等一系列过程从基因组的一个位置“跳跃”到另一个位置。由于内源性逆转录病毒与转座子高度相似，有些观点认为它们有共同的起源。

根据序列的相似性和其他结构特征，可将内源性逆转录病毒分为简单组（α-、β-、γ-和ε-逆转录病毒）和复杂组（Δ-逆转录病毒、慢病毒和泡沫病毒）共7个不同种类。其中，泡沫病毒类代表最原始的内源性逆转录病毒。不同种类内源性逆转录病毒的序列在宿主基因组分布上具有多样性，并呈现一定规律性：鱼类基因组主要包含ε类病毒序列，两栖类和爬行类基因组有多种病毒序列，鸟类基因组主要包含α类病毒序列，而哺乳动物基因组主要包含β类和γ类病毒序列[6]。

由于其潜在的医学价值，人内源性逆转录病毒近年来一直是研究热点。系统发育分析表明，只有HERV-T可能真正属于γ类内源性逆转录病毒，而其他相关的γ类人内源性逆转录病毒，如长臂猿猿白血病病毒和猪内源性逆转录病毒类型C完全失去了典型的γ类内源性逆转录病毒的特征；大部分γ类人内源性逆转录病毒，如HERV-ADP、HERV-I、HERV-R及HERVE与鸟γ-逆转录病毒的亲缘关系更近[7]。一些泡沫病毒类人内源性逆转录病毒，如HERV-S和HERV-L也与鸟泡沫病毒类内源性逆转录病毒关系较近。这表明γ类和泡沫病毒类人内源性逆转录病毒均是非单一性起源的。相反，有证据表明β类人内源性逆转录病毒具有单一性，因为这些病毒往往聚集在一起形成特定的簇，共有一些基因组结构特征。

先前认为人内源性逆转录病毒是人基因组所特有的假设，显然是不正确的，已有研究发现，人内源性逆转录病毒也存在于古猿、旧世界猴和其他哺乳动物中。有证据表明，在灵长类和人类出现很早以前，一些人内源性逆转录病毒就已入侵脊椎动物的基因组。如已在爬行动物、鱼类中检测到HERV-S/L反转录元件，估计HERV-L序列已定植于胎盘哺乳动物的基因组中100万年以上[3]。此外，HERV-F/H和HERV-FRD在8000万~5000万年前就已插入古老的人基因组，并可能存在于所有现存灵长类，甚至一些原猴类中。相对较“年轻”、物种特异的人内源性逆转录病毒，如人类特有的HML-2元件，在80万~15万年前就整合到基因组上了。其他一些内源性逆转录病毒，如存在于黑猩猩和大猩猩基因组中的PtERV1 1（Pan troglodytes endogenous retrovirus）反而在人基因组中被剔除了[8]。

内源性逆转录病毒跨物种传播

内源性逆转录病毒跨物种传播引起的宿主频繁转换现象，发生在宿主的全部进化过程中。尽管内源性逆转录病毒广泛分布于所有脊椎动物中，但并未发现古老的内源性逆转录病毒序列在原始脊椎动物间有明显的水平转移现象；而在高等脊椎动物基因组中最为普遍的γ类和β类内源性逆转录病毒，其宿主转换现象偶有发生。例如，在东南亚小鼠内发现的内源性逆转录病毒是与长臂猿白血病病毒相关的外源性逆转录病毒的祖先，而该外源性逆转录病毒的近亲目前在圈养的长臂猿和树袋熊中频繁出现[9]。研究发现，吸血蝙蝠的内源性逆转录病毒与松鼠猴的内源性逆转录病毒和啮齿类动物β-逆转录病毒拥有共同的祖先，这可能是一种正在进行中的跨物种传播模式[10]。

有关蝙蝠内源性逆转录病毒的研究较多，研究发现，不仅在不同蝙蝠之间，在蝙蝠与其他哺乳动物之间，也存在着内源性逆转录病毒跨物种传播的现象。系统发生分析表明，某些蝙蝠（如菊头蝠科）携带有较哺乳动物逆转录病毒更古老的内源性逆转录病毒序列。进一步的研究表明，一种分离自马铁菊头蝠的具有代表性的逆转录病毒——RfRV（Rhinolophus ferrumequinum retrovirus）起源于树鼩[11]，并非起源于蝙蝠，这说明该病毒是跨种传播而来的。

内源性逆转录病毒的生物学功能

进化过程中，由于基因发生突变、缺失或终止等，大部分内源性逆转录病毒已不表达，或者缺乏编码蛋白质的能力，而小部分内源性逆转录病毒仍具有产生一些病毒产物和病毒类颗粒的能力。最新研究表明，一些内源性逆转录病毒对胚胎发育、免疫应答等具有积极作用，并与病毒感染、肿瘤形成及发展有关。

与胎盘形成相关

研究表明，内源性逆转录病毒编码的包膜蛋白参与哺乳动物胎盘的形成过程。哺乳动物的受精卵在子宫内着床后，形成紧靠子宫壁的合胞体滋养层，它对胎儿有保护和提供养分的作用，可增强细胞内里外物质的传输和交换。HERV-W家族编码的包膜蛋白syncytin-1可在胎盘合胞体滋养层中特异地高表达，且在体外多种细胞系中具有细胞融合作用，抗syncytin-1血清则可抑制人滋养层细胞系的融合，这表明syncytin-1可能参与胎盘的形成。

此外，通过生物信息学方法对人全基因组进行扫描，还发现另一个重要的蛋白，即HERV-FRD家族编码的包膜蛋白syncytin-2。随后，在小鼠中发现与syncytin-1和syncytin-2具有相似表达特异性和细胞融合功能的包膜蛋白syncytin-A和syncytin-B。研究者分别利用syncytin-A敲除、syncytin-B敲除和双基因敲除小鼠模型，在体内证实了syncytin包膜蛋白在小鼠胎盘形成中起着至关重要的作用。

内源性逆转录病毒编码的部分包膜蛋白除具有细胞融合作用外，还与母体胎儿免疫耐受（指机体免疫系统在接触某种抗原后导致的针对该抗原的特异性无应答现象）相关。将过量表达syncytin-1或syncytin-2蛋白的肿瘤细胞异种移植到免疫成熟的小鼠中，发现syncytin-2蛋白具有免疫抑制活性，推测这种免疫抑制活性与母体怀孕期间对胎儿的免疫耐受相关[12]。

调控宿主基因表达

顺式作用元件是指与结构基因串联的特定DNA序列，是转录因子的结合位点，通过与转录因子结合而调控基因转录的精确起始和转录效率，包括启动子、增强子、调控序列和可诱导元件等，其作用是参与调控基因表达。其中，启动子是位于结构基因5'端上游的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之与模板DNA准确结合；而增强子是DNA上一小段可与蛋白质结合的区域，与蛋白质结合后，基因的转录作用将会被加强。

通常，内源性逆转录病毒的表达依赖病毒长末端重复序列（long terminal repeat，LTR），这是由于LTR具有启动子或增强子活性。诸多研究表明，内源性逆转录病毒可作为顺式作用元件调控其插入位点附近的宿主基因的表达。

p53是重要的肿瘤抑制基因，其编码的蛋白质作为转录因子主要分布于核质中，能与DNA特异结合。通过对人基因组上p53结合位点的系统分析，发现已知的p53结合位点中，有1/3以上的序列位于内源性逆转录病毒的LTR上，且这些序列能够调控其插入位点附近的宿主基因的表达。

此外，在有关天然免疫的研究中发现，内源性逆转录病毒作为顺式作用元件，分布在免疫基因附近，能与干扰素诱导的转录调控因子结合，增强免疫基因的表达；而来自相同内源性逆转录病毒的转座元件可分布在宿主基因组的不同地方，促进多个基因共同参与一个炎症反应[13]。这些研究结果表明，内源性逆转录病毒可以通过其LTR丰富宿主细胞转录因子的调控网络。

值得注意的是，由于内源性逆转录病毒的插入具有随机性和不确定性，因此一部分内源性逆转录病毒可能会对宿主产生有益的生物学效应，而在自然选择下被保留下来；但是有些内源性逆转录病毒的插入对宿主基因表达的影响并不十分有利，可能导致多种疾病的发生发展。

与肿瘤发生相关

内源性逆转录病毒作为一种重复序列在宿主基因组中大量存在。正常细胞中的大部分内源性逆转录病毒的表达呈现沉默状态，这一过程主要受表观遗传调控；但当调控失衡时，内源性逆转录病毒则会呈现异常的高表达，并可能参与肿瘤的发生和发展。

越来越多的研究表明，人内源性逆转录病毒与肿瘤存在某种相关性，且多种肿瘤组织和肿瘤细胞系中，均表现出人内源性逆转录病毒的高表达。例如在黑色素瘤、乳腺癌、肾癌、卵巢癌及生殖细胞肿瘤中，均检测到HERV-K或HERV-W的表达[14]。人内源性逆转录病毒有可能通过其mRNA的表达、功能蛋白或逆转录病毒样颗粒参与肿瘤的发生和发展，也可能通过参与新启动子的产生或原癌基因的激活，从而导致肿瘤的发生。例如在某些小细胞肺癌中，HERV-R的mRNA表达增加[15]。需要注意的是，目前并没有直接充分的证据表明，人内源性逆转录病毒与人类肿瘤具有明确的因果关系。仍需进一步探究人内源性逆转录病毒的高表达与肿瘤疾病的相关性，以及是否是诱发肿瘤的病因。鉴于人内源性逆转录病毒在多种肿瘤中高表达的特性，它们中的一些或有潜力成为肿瘤诊断和预后的生物标志物，并为免疫治疗提供靶点。

综上所述，哺乳动物，包括人的内源性逆转录病毒序列并非无意义的DNA序列。作为远古时期入侵宿主祖先的遗留物，内源性逆转录病毒序列与宿主基因组共同进化。一方面，部分内源性逆转录病毒具有重要的生物学意义，有利于宿主细胞的正常生理活动；另一方面，某些内源性逆转录病毒的异常表达与一些疾病或肿瘤的发生发展相关。对人内源性逆转录病毒的其他潜在生理功能及其致病的详细机制，还需进一步研究。

崔杰：研究员，中国科学院上海巴斯德研究所，上海 200031。jcui@ips.ac.cn

Cui Jie: Professor, Institut Pasteur of Shanghai, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031.

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